Современные методы симуляции раскатки колец, выявление дефектов

Современные методы симуляции раскатки колец, выявление дефектов

Современные методы симуляции раскатки колец, выявление дефектов

Моделирование прокатки колец превратилось в необходимый инструмент для эффективного производства бездефектных раскатных колец. Большинство дефектов, обнаруженных в процессе производства, теперь можно надежно обнаружить при моделировании, а решения для дефектов можно быстро внедрить и проверить. Оптимизированная технология непрерывной  прокатки  кольца фактически гарантирует бездефектный продукт, а информация об успешной симуляции может быть использована для установки рабочих параметров вашего прокатного стана.

 

Любой, кто разрабатывал процессы для производства бесшовных катаных колец, знает, насколько сложно производить их без дефектов и с требуемыми свойствами. Даже раскатные кольца с простым прямоугольным поперечным сечением могут страдать от любого количества дефектов, таких как конусность, волнистость, растрескивание, округлость (овальность) и полости.

 

Современные клиенты требуют более сложных профилированных раскатных колец, которые снижают требования к последующей механической обработке, однако,  чем выше сложность профиля, тем больше раскатные кольца могут страдать от дополнительных дефектов, таких как незаполнение / переполнение профиля, а также изгибы и сгибы. Еще одним усложнением производства является тот факт, что все катаные кольца могут страдать от проблем с динамическими характеристиками.

 

До недавнего времени моделирование катаных колец не показывало достоверно эти дефекты. Проблема заключалась в том, что эти дефекты действительно имели место, и если моделирование не показывало их, то мы просто тратили время на моделирование. Нам требовалось программное обеспечение, которое могло бы показывать дефекты прокатных колец на этапе проектирования и разработки, чтобы процесс прокатки колец давал качественные раскатные кольца, не тратя время и деньги на испытания в цехах. Многие проблемы, связанные с точной и надежной идентификацией дефектов при моделировании катаных колец, теперь решены, и моделирование стало необходимым шагом в разработке и производстве бездефектных раскатных колец.

Настройка

Очень важно моделировать весь процесс, от нагрева заготовки до конца процесса прокатки кольца (рис. 1).

Рисунок 1. Этапы процесса прокатки кольца

 Это связано с тем, что небольшие нарушения в операциях осадки / ковки / прошивания могут привести к дефектам в конечном продукте.

Моделирование цепочки процессов для этих предварительных операций было зрелым в течение многих лет, и эти операции очень легко моделируются с хорошей точностью практически любым программным обеспечением для моделирования.

Контроль над процессом

Однако после того, как прошитая заготовка была смоделирована, настройка оборудования для точного моделирования прокатки колец требует, чтобы программное обеспечение учитывало все параметры управления, которые могли бы быть включены в настоящий прокатный стан. Программное обеспечение QForm теперь может точно моделировать любую операцию раскатки колец с помощью вращения инструмента и заготовки на оборудовании, таком как одностоечные, двухстоечные, прокатные станы для прокатки внутри основного валка или колесные раскатные станы (Рисунок 2).

Рисунок 2. Типы моделируемых кольцевых процессов

Чтобы получить точные результаты, для программного обеспечения моделирования важно учитывать даже самые незначительные особенности управления каждой из этих раскатных машин.

Имитация прокатки колец может быть настроена таким образом, чтобы параметры управления, использованные в моделировании, были точно такими же, как и в реальном прокатном стане (Рисунки 3 и 4). 

Рисунок 4. Высота и толщина прокатки кольца

Фактически интерфейс моделирования позволяет напрямую вводить те же параметры, которые используются во многих коммерчески доступных раскатных станах. Как только вы получите симуляцию для производства раскатного (катаного) кольца, которое соответствует вашим требованиям, вы можете просто перенести значения из симуляции непосредственно в ваш реальный прокатный стан, чтобы имитируемый и реальный прокатный станы для раскатки колец работали с одинаковыми параметрами управления.

Например, при моделировании прокатки колец на стане с двумя клетями движение оправки и осевых валков можно настроить любым количеством способов. Их контроль может зависеть от традиционной кривой ламинирования; по скорости оправки и осевых валков; круговым движением оправки; или определяется как универсальный привод, который может иметь любое желаемое движение. Вы можете использовать такие кривые, как высота в зависимости от толщины или скорость роста кольца в зависимости от диаметра (Рисунок 5).

Рисунок 5. Кольцевые кривые

Скорость оправки и осевых валков можно регулировать на основе наружного диаметра раскатываемого кольца (например, система электромеханического привода с замкнутым контуром) или предварительно установить, чтобы она не изменялась во время процесса (например, гидравлический привод, рис. 6).

Рисунок 6. Кривые скорости крена

Скорость вращения основного валка может быть введена как об / мин (угловая скорость) или как линейная скорость в зависимости от диаметра валка. Горизонтальное смещение осевых валков можно установить таким образом, чтобы скорость всегда была вдвое меньше скорости роста кольца. Он также может зависеть от текущего диаметра кольца или может начинаться с некоторого заданного диаметра.    Нагрузка на направляющие ролики может быть установлена ​​как постоянная или кривая, и даже отклонение направляющих роликов можно точно контролировать в симуляции (рис. 7).

Рисунок 7. Контроль отклонений направляющих валков

Даже незначительные различия в высоте стола от одной стороны к другой могут быть скорректированы и учитываются при моделировании. Сама таблица может быть твердотельной моделью из САПР или может быть просто определена как граничное условие. Первоначальное расположение инструментов, динамика инструмента и условия остановки для моделирования являются гибкими и их легко определить.

Сетка

Даже если объем раскатного кольца и требуемого инструмента может быть достаточно большим, зоны контакта между инструментами и кольцом относительно невелики. Для обеспечения точности требуется очень тонкая сетка как на инструменте, так и на раскатном кольце в этих зонах деформации.

Чтобы создать эту мелкую сетку по всему прокатному кольцу и инструментам, симуляция будет очень медленной. Еще более усложняет сетку тот факт, что эта зона деформации постоянно движется, поскольку кольцо совершает много оборотов через

инструмент. Таким образом, смещение каждого узла в кольце должно быть точно рассчитано и переведено по мере того, как раскатываемое кольцо деформируется, растет и вращается.

Эти проблемы преодолеваются в QForm несколькими способами. Программа использует метод двойной сетки (рис. 8), где «механическая сетка» используется для точного расчета деформации. 

Рисунок 8. Метод двойной сетки ускоряет процесс моделирования.

Эта неоднородная сетка очень мелкая в зонах деформации и довольно большая в большей части кольца (где деформация не происходит), что дает хорошую точность и высокую скорость.

Вторая параллельная сетка — это так называемая «геометрическая сетка», которая очень хороша по всему кольцу. Эта сетка сохраняет точную форму раскатного кольца и используется для всех тепловых расчетов и для передачи деформационных и механических данных назад и вперед между «механической сеткой», когда она входит и выходит из зон деформации.

Еще один прием для повышения точности и скорости в программном обеспечении заключается в том, что подход Эйлера используется в валках и оправках, а подход Лагранжа — в самом кольце. Подход Эйлера отслеживает определенные места в пространстве, через которые течет жидкость во времени. Метафорически характеризуется тем, что он сидит на берегу реки и наблюдает, как течет вода. Подход Лагранжа фокусируется на отслеживании конкретной точки жидкости при ее движении в пространстве и времени. Метафорически характеризуется тем, что он сидит в лодке и плывет по реке.

Несмотря на то, что сетка неподвижна в инструментах, скорость влияет на теплопередачу в валках, что означает, что тепло переносится проводимостью и движением массы. Это позволяет проводить быстрое моделирование с точным и реалистичным поведением инструмента (рисунок 9).

Рисунок.9

Рисунок 10. Микроструктурный прогноз в цепочке процессов

Микроструктура

Поскольку катаные кольца обычно используются для критических компонентов, может быть очень полезно понять, как процесс формования влияет на микроструктуру кольца. Современное моделирование прокатки колец на прокатных станах может включать в себя эволюцию микроструктуры в течение всего процесса формования, от нагрева заготовки до формы конечного продукта. Полученные данные могут включать в себя динамическую и метадинамическую рекристаллизацию, и графический вывод программы должен четко показывать размеры зерен на поверхности, а также в поперечном сечении готового проката.

Проверка точности

Точность этих методов моделирования была подтверждена многочисленными промышленными производителями (рисунки 11, 12, 13 и 14). 

Рисунок 11. Горизонтальные поверхности произвольной формы (без осевых роликов) показывают хорошую корреляцию между симуляцией и реальностью. Предоставлено Schmiedewerke Groditz (Германия)

Рисунок 12. Проверка точности конечной формы свернутого кольца в сравнении с моделированием.  Предоставлено Sider Forgerossy (Италия)

Рисунок 13. Проверка точности окончательной формы свернутого кольца в сравнении с моделированием.   Предоставлено Sider Forgerossy (Италия)

Рисунок 14. Недостаточное заполнение дефектов показано в реальных и смоделированных профилированных катаных кольцах. Предоставлено Caltek (Южная Корея)

Моделирование прямоугольных и профилированных колец показало очень близкое соответствие фактическим раскатаным кольцам.

Были также проведены испытания, когда кольцо было раскатано без конических осевых валков (рис. 13), чтобы горизонтальные поверхности кольца могли свободно формироваться в любой форме. Это полезная проверка точности моделирования, поскольку, поскольку нет осевых валков для управления потоком материала, форма горизонтальных поверхностей формируется только динамикой прокатного стана, действующей на напряжение потока прокатываемого материала. В этих испытаниях симуляция того же процесса дала форму, практически неотличимую от фактического раскатанного кольца.

Заключение

Очевидно, что моделирование прокатки колец созрело до такой степени, что они стали необходимым инструментом для эффективного производства бездефектных раскатных колец. Большинство дефектов, обнаруженных в процессе производства, теперь можно надежно обнаружить при моделировании, а решения для дефектов можно быстро внедрить и проверить в процессе моделирования.

Оптимизированная технологическая цепочка прокатки колец — от нагрева заготовки до окончательной формы проката —
разработанная с помощью моделирования, практически гарантирует отсутствие дефектов продукта, а информация об успешном моделировании может быть использована для установки рабочих параметров вашего прокатного стана для раскатки колец.  Моделирование рассчитывает микроструктуру и материальный поток в раскатанном кольце, а также нагрузку на каждый компонент инструмента, что предотвращает возможную перегрузку и неизбежно увеличивает срок службы инструментов.

 

Яндекс.Метрика